Falowniki, prostowniki, zasilacze impulsowe, UPS-y czy nowoczesne urządzenia energoelektroniczne są dziś standardowym elementem instalacji przemysłowych. Zwiększają możliwości sterowania procesem i poprawiają efektywność pracy maszyn, ale z punktu widzenia sieci zasilającej mają jedną istotną cechę – wiele z nich należy do grupy odbiorników nieliniowych.

Odbiornik nieliniowy nie pobiera prądu proporcjonalnie do chwilowej wartości napięcia. W efekcie, nawet przy prawidłowym sinusoidalnym napięciu zasilającym, przebieg pobieranego prądu może być silnie odkształcony.

Konsekwencją jest obecność wyższych harmonicznych prądu, które mogą wpływać na transformatory, przewody, baterie kondensatorów oraz inne urządzenia podłączone do wspólnej instalacji.

Dlatego w zakładzie z dużą liczbą urządzeń energoelektronicznych warto analizować nie tylko pobieraną moc i wartość skuteczną prądu, ale również jego kształt oraz zawartość harmonicznych.

Co to są odbiorniki nieliniowe?

W najprostszym ujęciu odbiorniki elektryczne można podzielić na liniowe i nieliniowe.

W przypadku odbiornika liniowego zależność pomiędzy napięciem a pobieranym prądem jest liniowa. Przy sinusoidalnym napięciu zasilającym prąd również zachowuje przebieg sinusoidalny, choć może być przesunięty fazowo względem napięcia.

Odbiornik nieliniowy zachowuje się inaczej.

Pobierany przez niego prąd zależy od napięcia w sposób nieliniowy. W praktyce oznacza to, że prąd może być pobierany impulsowo lub tylko w określonych fragmentach okresu napięcia.

W efekcie jego przebieg przestaje być sinusoidalny.

Odkształcony przebieg można matematycznie przedstawić jako sumę:

• harmonicznej podstawowej,
• oraz wyższych harmonicznych o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej.

W europejskiej sieci 50 Hz będą to przykładowo:

3. harmoniczna – 150 Hz,

5. harmoniczna – 250 Hz,

7. harmoniczna – 350 Hz,

11. harmoniczna – 550 Hz.

To właśnie obecność tych składowych jest jednym z najważniejszych skutków pracy odbiorników nieliniowych.

Jakie urządzenia są odbiornikami nieliniowymi?

Współczesny zakład przemysłowy może zawierać bardzo dużą liczbę takich odbiorników.

Do typowych przykładów należą:

• przemienniki częstotliwości,
• prostowniki,
• zasilacze impulsowe,
• systemy UPS,
• ładowarki i układy energoelektroniczne,
• sterowniki i urządzenia elektroniczne,
• oświetlenie LED,
• część urządzeń spawalniczych i zgrzewających,
• systemy fotowoltaiczne wyposażone w falowniki,
• inne odbiorniki wykorzystujące przekształtniki energoelektroniczne.

Elsta Elektronika wskazuje odbiorniki nieliniowe jako jedno ze źródeł zaburzeń jakości energii występujących w nowoczesnych instalacjach przemysłowych.

Nie oznacza to jednak, że takie urządzenia są z definicji „złe” dla instalacji. Są niezbędnym elementem współczesnej automatyki i energoelektroniki.

Problem pojawia się wtedy, gdy łączny udział odbiorników nieliniowych staje się na tyle duży, że powodowane przez nie odkształcenia zaczynają wpływać na pracę całej sieci..

Dlaczego odbiornik nieliniowy generuje harmoniczne?

Dobrym przykładem jest urządzenie wyposażone w wejściowy układ prostownikowy.

Z punktu widzenia sieci prąd nie musi być wtedy pobierany równomiernie przez cały okres napięcia. Może płynąć głównie w określonych chwilach.

W rezultacie zamiast przebiegu zbliżonego do sinusoidy otrzymujemy prąd o charakterystycznie odkształconym kształcie.

Im większy udział takich urządzeń w instalacji, tym większy może być całkowity poziom harmonicznych prądu.

Zaburzenia generowane przez poszczególne odbiorniki nakładają się na siebie, dlatego problemu nie należy oceniać wyłącznie na podstawie parametrów pojedynczej maszyny.

Znaczenie ma cały punkt wspólnego zasilania oraz rzeczywisty profil pracy zakładu.

Czym jest THDi?

Jednym z podstawowych parametrów stosowanych przy ocenie odkształcenia prądu jest THDi – Total Harmonic Distortion of current.

Parametr określa udział wyższych harmonicznych w przebiegu prądu względem jego składowej podstawowej.

Wysoka wartość THDi informuje, że przebieg prądu znacząco odbiega od sinusoidy.

Sama wartość THDi nie daje jednak pełnej informacji o instalacji.

Przy diagnostyce należy uwzględnić również:

• rzeczywistą wartość prądu,
• udział poszczególnych harmonicznych,
• zmiany THDi w czasie,
• obciążenie transformatora,
• charakter pracujących odbiorników,
• poziom odkształcenia napięcia.

Przykładowo wysoka wartość procentowa THDi przy bardzo małym obciążeniu może mieć inne znaczenie techniczne niż podobny poziom występujący przy pełnym obciążeniu transformatora.

THDi i THDu – jaka jest różnica?

THDi odnosi się do odkształcenia prądu.

THDu opisuje natomiast odkształcenie napięcia.

To ważne rozróżnienie.

Odbiorniki nieliniowe przede wszystkim pobierają odkształcony prąd. Przepływ tego prądu przez impedancję instalacji może następnie przyczyniać się do powstawania odkształceń napięcia.

W efekcie problem generowany przez część urządzeń może zacząć oddziaływać również na inne odbiorniki zasilane z tej samej sieci.

Dlatego podczas analizy jakości energii warto rozpatrywać zarówno parametry prądowe, jak i napięciowe.

Jak odbiorniki nieliniowe wpływają na instalację?

Wpływ zależy od liczby odbiorników, ich mocy, charakterystyki oraz parametrów instalacji.

Przy znaczącym poziomie harmonicznych mogą pojawiać się dodatkowe straty i obciążenia elementów infrastruktury.

Dodatkowe nagrzewanie transformatorów

Wyższe harmoniczne zwiększają częstotliwości składowych prądu przepływających przez transformator.

Może to prowadzić do dodatkowych strat w uzwojeniach i elementach konstrukcyjnych, a w konsekwencji do wzrostu temperatury.

Dlatego transformator zasilający dużą liczbę odbiorników nieliniowych nie powinien być oceniany wyłącznie na podstawie mocy czynnej pobieranej przez zakład.

Zwiększone straty w przewodach

Odkształcony prąd ma określoną wartość skuteczną, która powoduje straty cieplne w przewodach.

Wysoki poziom harmonicznych może więc zwiększać obciążenie cieplne instalacji nawet wtedy, gdy z perspektywy produkcji nie nastąpił proporcjonalny wzrost użytecznej mocy.

Prąd w przewodzie neutralnym

W czteroprzewodowych instalacjach trójfazowych szczególne znaczenie mogą mieć harmoniczne trzeciego rzędu i ich wielokrotności.

Składowe te mogą sumować się w przewodzie neutralnym zamiast wzajemnie znosić.

W instalacjach z dużą liczbą jednofazowych odbiorników nieliniowych może to prowadzić do znacznego obciążenia przewodu N.

Wpływ na baterie kondensatorów

Baterie kondensatorów stosowane do kompensacji mocy biernej indukcyjnej wymagają szczególnej uwagi w instalacjach z wysokim poziomem harmonicznych.

Impedancja kondensatora zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości. Z tego względu wyższe harmoniczne mogą zwiększać prądy płynące przez kondensatory.

Istotne jest również ryzyko wystąpienia niekorzystnych zjawisk rezonansowych pomiędzy pojemnością baterii a indukcyjnością sieci.

Dlatego dobór baterii kondensatorów w instalacji z istotnym udziałem odbiorników nieliniowych powinien uwzględniać poziom wyższych harmonicznych.

Czy odbiorniki nieliniowe powodują moc bierną?

To pytanie wymaga precyzyjnej odpowiedzi.

W instalacji z przebiegami sinusoidalnymi często analizuje się przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem, a współczynnik mocy utożsamia się z cos φ.

Przy odbiornikach nieliniowych sytuacja jest bardziej złożona.

Odkształcenie przebiegu prądu również wpływa na rzeczywisty współczynnik mocy, nawet jeżeli przesunięcie fazowe składowej podstawowej nie jest duże.

Dlatego w instalacji z dużą liczbą falowników czy zasilaczy impulsowych samo sprawdzenie cos φ może nie wystarczyć do oceny wykorzystania sieci.

Należy rozróżniać:

• przesunięcie fazowe składowej podstawowej,
• moc bierną,
• odkształcenie prądu,
• całkowity współczynnik mocy.

To jeden z powodów, dla których w nowoczesnych instalacjach przemysłowych analiza jakości energii powinna wykraczać poza klasyczny pomiar cos φ.

Falowniki jako odbiorniki nieliniowe

Przemienniki częstotliwości są jednym z najczęściej spotykanych odbiorników nieliniowych w przemyśle.

Ich wpływ na sieć zależy m.in. od:

• konstrukcji części wejściowej,
• zastosowanego prostownika,
• obecności dławików,
• obciążenia napędu,
• zastosowanych dodatkowych układów filtrujących.

Dlatego nie można zakładać, że każdy falownik generuje dokładnie taki sam poziom harmonicznych.

W zakładzie z dziesiątkami lub setkami napędów znaczenie ma natomiast ich łączny wpływ na punkt zasilania.

To właśnie dlatego pomiar przeprowadzony przy głównej rozdzielnicy może dostarczyć więcej informacji niż analiza pojedynczego napędu.

Czy harmoniczne z jednego urządzenia mogą wpływać na inne maszyny?

Tak, ponieważ wszystkie urządzenia podłączone do wspólnej infrastruktury elektrycznej oddziałują ze wspólną siecią zasilającą.

Prądy harmoniczne generowane przez odbiorniki przepływają przez elementy instalacji:

• przewody,
• szyny,
• transformatory,
• rozdzielnice.

Na impedancji tej infrastruktury powstają odpowiednie spadki napięcia.

Jeżeli poziom zaburzeń jest wystarczająco wysoki, odkształcenie napięcia może być widoczne również dla innych urządzeń.

Dlatego problem jakości energii nie zawsze kończy się na urządzeniu, które jest źródłem zakłóceń.

Jak sprawdzić wpływ odbiorników nieliniowych na sieć?

Podstawą jest pomiar jakości energii wykonany podczas reprezentatywnych warunków pracy zakładu.

Warto analizować między innymi:

• THDi,
• THDu,
• widmo harmonicznych prądu,
• widmo harmonicznych napięcia,
• wartości skuteczne prądów,
• prąd przewodu neutralnego,
• współczynnik mocy,
• moc czynną, bierną i pozorną,
• asymetrię faz,
• zmienność parametrów w czasie.

Szczególnie istotne jest powiązanie wyników pomiarów z pracą konkretnych odbiorników.

Można wtedy sprawdzić, czy poziom harmonicznych:

• wzrasta po uruchomieniu określonej linii,
• zmienia się wraz z liczbą pracujących falowników,
• osiąga maksimum w konkretnych stanach produkcji,
• występuje stale czy tylko okresowo.

Czy wysoki THDi zawsze oznacza konieczność zastosowania filtra aktywnego?

Nie.

Sama wartość THDi nie powinna być jedynym kryterium doboru rozwiązania.

Należy ocenić m.in.:

• rzeczywistą wartość prądów harmonicznych,
• poziom obciążenia instalacji,
• parametry napięcia,
• wpływ zaburzeń na urządzenia,
• obciążenie transformatora i przewodów,
• charakter całej instalacji.

Dopiero analiza tych danych pozwala ocenić, czy potrzebne jest ograniczenie harmonicznych i jaka metoda będzie właściwa.

W niektórych przypadkach rozwiązaniem mogą być zmiany po stronie konkretnych odbiorników.

W innych bardziej efektywne będzie zastosowanie centralnego układu filtracji.

Jak ograniczyć wpływ odbiorników nieliniowych?

Nie istnieje jedna metoda właściwa dla każdej instalacji.

W zależności od źródła i skali zaburzeń stosuje się m.in.:

• odpowiednio dobrane dławiki,
• filtry pasywne,
• rozwiązania po stronie odbiornika,
• zmianę konfiguracji instalacji,
• aktywne filtry harmonicznych.

W zakładach o dynamicznym charakterze obciążenia istotną zaletą rozwiązania aktywnego jest możliwość reagowania na bieżący poziom generowanych harmonicznych.

Jak działa aktywny filtr harmonicznych?

Filtr aktywny mierzy prądy i napięcia w instalacji, identyfikuje niepożądane składowe prądu, a następnie generuje prąd kompensacyjny o odpowiednim przebiegu.

W uproszczeniu urządzenie wytwarza składowe przeciwne do harmonicznych generowanych przez odbiorniki.

Dzięki temu od strony sieci zasilającej prąd może mieć przebieg znacznie bardziej zbliżony do sinusoidalnego.

Rozwiązanie działa dynamicznie, dlatego może dostosowywać się do zmian liczby i sposobu pracy odbiorników.

Filtry aktywne APF-100 i APF-300 Elsta Elektronika

Elsta Elektronika projektuje i produkuje aktywne filtry harmonicznych przeznaczone do poprawy parametrów jakości energii w instalacjach przemysłowych.

APF-100 i APF-300 mogą realizować jednocześnie:

• filtrację wyższych harmonicznych prądu,
• kompensację mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej,
• symetryzację prądów fazowych,
• redukcję prądu przewodu neutralnego.

APF-100 jest kompaktowym rozwiązaniem przeznaczonym do czteroprzewodowych sieci niskiego napięcia. W zależności od wersji urządzenie może generować prąd kompensacyjny do 25 A lub 50 A na fazę.

APF-300 jest przeznaczony do większych aplikacji przemysłowych i dostępny w wariantach oferujących prąd kompensacyjny do 200 A lub 400 A.

Dobór urządzenia powinien wynikać z rzeczywistych wartości prądów wymagających kompensacji, a nie wyłącznie z mocy znamionowej transformatora lub całego zakładu.

Kiedy warto zainteresować się odbiornikami nieliniowymi?

Analiza ich wpływu na instalację jest szczególnie uzasadniona, gdy:

• znaczna część odbiorników jest zasilana przez falowniki,
• w zakładzie pracuje wiele zasilaczy impulsowych i urządzeń energoelektronicznych,
• stwierdzono wysoki poziom THDi,
• nagrzewają się transformatory lub przewody,
• występuje znaczny prąd w przewodzie neutralnym,
• pojawiają się problemy z baterią kondensatorów,
• kolejne urządzenia nieliniowe są dokładane podczas modernizacji zakładu,
• występują trudne do wyjaśnienia problemy z jakością zasilania.

W takich przypadkach warto spojrzeć na instalację jako na cały system, a nie analizować każdy odbiornik niezależnie.

Coraz więcej energoelektroniki oznacza nowe wymagania dla instalacji

Rozwój energoelektroniki zmienił sposób, w jaki współczesne zakłady pobierają energię elektryczną.

Falowniki, zasilacze impulsowe i przekształtniki przynoszą ogromne korzyści procesowe, ale jednocześnie powodują, że klasyczna analiza oparta wyłącznie na napięciu, prądzie i cos φ może być niewystarczająca.

Im większy udział odbiorników nieliniowych, tym większego znaczenia nabierają:

• THDi,
• widmo harmonicznych prądu,
• rzeczywisty współczynnik mocy,
• obciążenie przewodu neutralnego,
• wpływ harmonicznych na transformatory i układy kompensacyjne.

Dlatego przed podjęciem decyzji o zastosowaniu filtracji należy wykonać pomiary i ustalić, które harmoniczne występują, jakie mają wartości i w jakich stanach pracy zakładu osiągają najwyższy poziom.

Elsta Elektronika łączy analizę jakości energii z projektowaniem i produkcją rozwiązań Power Quality, dzięki czemu dobór sposobu ograniczania harmonicznych może opierać się na rzeczywistych parametrach instalacji.

Jeżeli udział odbiorników nieliniowych w Twoim zakładzie rośnie, sprawdź ich wpływ na sieć, zanim skutki zakłóceń zaczną ograniczać możliwości infrastruktury lub wpływać na pracę urządzeń.